Кортикални вълни по време на NREM сън и събуждане при хората, част 3

PY изстрелването предшества IN изстрелването при пикове на кортикални вълни

Използвайки записи на масиви от микроелектроди от гранулирани/супрагрануларни слоеве на страничния темпорален кортекс по време на NREM, ние открихме пулсации (фиг. 11A), както и потенциали на действие, които бяха сортирани в тези, произтичащи от предполагаеми единични PY или IN единици. Средната6 SD честота на трептене на пулсации в микроелектродните канали (N=72) е 89.6 6 1.4 Hz, а в отделните пулсации (N=50,967) е 90.{{9} }.2 Hz. Открихме, че IN имат силна склонност да се задействат на върха на пулсацията, докато PY задействат малко преди това (фиг. 11B).

В организационната структура на човешкия мозък темпоралният лоб се счита за важна област, тясно свързана с паметта. Смята се, че гранулираният слой в темпоралния кортекс играе решаваща роля в този процес. Особено в ключовия процес на краткосрочна памет, нивото на активност и броят на гранулирания слой на кортекса на темпоралния лоб директно ще определят ефективността на паметта на индивида. Следователно поддържането на темпоралните кортикални гранули здрави е важно за нашия мозък и памет.

И така, как поддържате темпоралните кортикални гранули здрави? Първо, достатъчният сън може да насърчи растежа на мозъчните неврони и да подобри стабилността на невронните вериги, като по този начин увеличи броя и активността на гранулите на темпоралната кора. В допълнение, повече упражнения, повече учене и повече социално взаимодействие също могат да стимулират невронната активност в мозъка и да увеличат броя на невроните, което е от полза за здравето на гранулите на кората на темпоралния лоб.

В допълнение към горните методи, можете също да поддържате здравето на частиците на темпоралната кора чрез добри хранителни навици. Проучванията показват, че някои хранителни вещества в храни като боровинки, орехи, сьомга и треска могат да помогнат за подобряване на паметта и когнитивните способности и също могат да забавят функционалния спад на гранулите на темпоралната кора.

Накратко, кортикалните гранули на темпоралния лоб са тясно свързани с паметта, така че е много важно да се поддържа здравето на кортикалните гранули на темпоралния лоб. Повече упражнения, повече учене, повече общуване, достатъчно сън и добри хранителни навици – всичко това спомага за увеличаване на броя и активността на гранулите в кората на темпоралния лоб, като по този начин подобрява нашите когнитивни способности и памет. Вижда се, че трябва да подобрим паметта и Cistanche deserticola може значително да подобри паметта, тъй като Cistanche deserticola е традиционен китайски лекарствен материал, който има много уникални ефекти, един от които е да подобрява паметта. Ефикасността на мляното месо идва от различните активни съставки, които съдържа, включително киселина, полизахариди, флавоноиди и др. Тези съставки могат да насърчат здравето на мозъка по различни начини.

Кликнете върху Know, за да подобрите краткосрочната памет

По-рано показахме, че нечовеците, горните щати (Csercsa et al., 2010) и вретената (Dickey et al., 2021) са свързани с повишена скорост на стрелба на единици. Тъй като кортикалните вълни са точно свързани с тези събития (Фиг. 10), появата им на горни нива и вретена предполага основна фазова деполяризация, която може да генерира; 90 Hz трептения в изчислителни и експериментални модели чрез PY–IN инхибиране на обратната връзка (Bazhenov et al., 2008 ; Buzsáki, 2015). Деполяризацията кара кошничковите клетки да се задействат синхронно, инхибирайки други кошничкови клетки и пирамиди чрез GABAA. Пирамидите се задействат при възстановяване, вълнуващи кошни клетки, докато се възстановяват, което води до друг цикъл.

Както би предвидил този модел, ние открихме, че PYs и INs са силно фазово заключени към кортикални вълни (Фигура 11B), като PY значително води до пикове на IN (Фигура 11C, D). Освен това, INs се задействаха при пика на пулсацията, когато пирамидалното соматично инхибиране би било максимално, както е установено при котки (Grenier et al., 2001). По същия начин, амплитудата на пулсациите е по-висока при събуждане, отколкото NREM (фигури 3B, 8C), в съответствие с относителната деполяризация на пирамидалния мембранен потенциал по време на събуждане. Фазовата деполяризация по време на вълни в будно състояние също беше предложена чрез повишена амплитуда от .200 Hz (фиг. 2B, J, 3E, 8F). По този начин човешките кортикални вълни са свързани със силни тонични и фазово блокирани увеличения на PY и изстрелване и вероятно се генерират от внезапна деполяризация, задействаща PY–IN осцилации на обратна връзка (фиг. 11E).

Съгласуване на групата на кортикалните вълни с оптимално време за STDP

Увеличеното тонизиращо и фазово блокирано задействане на единица и появата на вълни на вретената при прехода отдолу към горната част предполагат, че вълните могат да улеснят кортикалната пластичност (Dickey et al., 2021). Това може да се случи чрез съвместно задействане на кратко забавяне между единици, което води до STDP. Наистина открихме голямо увеличение по време на пулсации с къса латентност (,5 ms) на съвместно задействане между PY–PY двойки единици и PY–IN двойки единици (фиг. 11F). По-конкретно, имаше увеличение на съвместното задействане по време на пулсации спрямо невълнички (PY–PY: 7.16-кратно увеличение, p=2 10159,N=4638, t=28.0; PY–IN: 9.78-кратно увеличение, p { {15}} 1099,N=1561, t=22.7; едностранен сдвоен t-тест). Периодите за сравнение без пулсации бяха произволно избрани епохи между пулсации, съвпадащи по брой и продължителност.

За да проверим дали това увеличение на съвместното запалване не се дължи просто на увеличаване на общите скорости на задействане на единици по време на вълни, или дори на тяхната ритмичност, а по-скоро на специфична организация на съвместно запалване по фазата на отделните цикли на вълни, ние конструирахме набор от контролни данни, състоящ се от невронно запалване по време на вълни, където пиковите времена са разбъркани на случаен принцип. В сравнение с тази разбъркана контрола, имаше значително увеличение на съпоставянето с кратко забавяне по време на вълни с техните действителни пикови времена (PY–PY:1.21-кратно увеличение, p=1 107, N=4638 ,t=5.2; PY–IN: 1.15-кратно увеличение, p=1 107, N=1561, t=5.2, едно- едностранен сдвоен t-тест). Това откритие показва, че увеличаването на съвместното изгаряне се дължи на специфична организация на съвместното изгаряне по фазата на отделните цикли на пулсации. По този начин вълните създават необходимо и достатъчно условие за STDP и следователно могат да лежат в основата на решаващия принос на тези вложени вълни за консолидация (Dickey et al., 2021).

Дискусия

Настоящото проучване предоставя първата цялостна характеристика на кортикалните вълни по време на събуждане и NREM при хора. Използвайки интракраниални записи, ние съобщаваме, че човешките кортикални вълни са широко разпространени по време на NREM в допълнение към събуждането. Основните характеристики на осакатяването (честота на поява, амплитуда, честота на трептенията, продължителност, разпределение в кортикалните зони) са стереотипи на кръстосани електроди и кортикални парцели. Те също така са много сходни в кората спрямо хипокампуса и в NREM спрямо събуждането. Стереотипите на кортикалните вълни и повсеместното разпространение в структурите и състоянията предполагат, че те могат да съставляват отделна и функционално важна неврофизиологична единица.

Характеристиките на човешките вълни са подобни на тези на гризачите с две изключения. Първо, централната честота на човешките вълни е фокално 90 Hz (Jiang et al., 2019a), докато при гризачите е 130 Hz (Khodagholy et al., 2017). Вероятно по-големият човешки мозък може да изисква повече време за кортикокортикална и хипокампо-кортикална интеграция от мозъка на гризачи. Втората очевидна разлика между хората и гризачите е в кортикалното разпределение. Предишно проучване на гризачи установи, че кортикалните вълни са ограничени до кората на асоциацията (Khodagholy et al., 2017) и се съобщава за последователни наблюдения при хора (Vaz et al., 2019). За разлика от това, ние записахме кортикални вълни във всички взети проби, с малко по-ниски честоти в асоциативните области, както е посочено от положителната корелация между честотата на поява и индекса на миелинизация.

За разлика от приликите на основните свойства, ние открихме, че вълните при събуждане спрямо NREM се появяват в много различни непосредствени физиологични контексти. В NREM, кортикалните вълни са силно свързани с локални низходящи и горни състояния и по-малко силно с вретена на съня. Характерно е, че вълните се появяват нагоре; 100 ms преди пика на горната част. Предишни проучвания установиха, че сънните вретена (Dickey et al., 2021) и горните състояния (Csercsa et al., 2010) са свързани със силни увеличения на задействането на локални единици и открихме, че това е и случаят с кортикалните вълни по време на NREM. Хипокампалните вълни по време на NREM в предишни проучвания също често се появяват по време на локални остри вълни или вретена (Staresina et al., 2015; Jiang et al., 2019a, b, c).

Тъй като сънните вретена и състоянията надолу към горе са характерни за NREM, не би се очаквало да се появят при вълни в будно състояние. Въпреки че не открихме друга вълна с по-ниска честота, която да бъде последователно свързана с вълни по време на събуждане, както кортикалните, така и хипокампалните вълни се появяват по време на силно повишена локална амплитудна активност от .200 Hz, заместител на задействане на единица (Mukamel et al., 2005). По този начин, локалният контекст както на кортикалните, така и на хипокампалните вълни, както в NREM, така и при събуждане, са внезапни увеличения на локалната възбудимост, продължаващи поне толкова дълго, колкото вълните (;70 ms). NREM и събуждането се различават по това, че деполяризиращият импулс е организиран от ендогенни ритми на съня в NREM, но изглежда, че е свързан с екзогенен вход, като сигнал за възстановяване, по време на събуждане.

Компютърни невронни модели и експериментални проучвания са открили, че деполяризиращите импулси могат да предизвикат трептения от 20 до 160 Hz (Buzsáki and Wang, 2012; Buzsáki, 2015). Деполяризацията причинява синхронно PY изстрелване, което се инхибира за фиксирано време от повтарящо се инхибиране от локални кошни клетки. След това PY се задействат отново, което води до Pyramidal InterneuronNetwork Gamma. Както е предвидено от този модел, ние открихме силна пулсационна фазова модулация на предполагаем PY и междуневронно изпичане, като PYs редовно предшестват INs. Нашите констатации също са в съответствие с пирамидалната интернейронна мрежа гама, допълнена от синхронизирано изстрелване на кошничкови клетки и взаимно инхибиране (интерневронна мрежа гама) (Bartos et al., 2002). Окончателната механична демонстрация ще изисква експерименти, които в момента не са възможни in vivo при хора (Stark et al., 2014).

Предишни проучвания показват, че кортикалните вълни се появяват в горната част и вретеновидни пикове при котки (Grenier et al., 2001) и плъхове (Khodagholy et al., 2017), а парахипокампалните g изблици с различни честоти се появяват в горната част при хората (Le Van Quyen и др. ., 2010). Тук докладваме подобни връзки при хора, в съответствие с предишно откритие, че кортикалните вълни по време на човешки NREM се потискат по време и се увеличават след спадове (von Ellenrieder et al., 2016).

Критичната роля на вълните на хипокампа на гризачи в консолидирането на паметта по време на NREM (Girardeau et al., 2009) зависи от тяхната връзка с кортикалните вълни на съня (вретена, низходящи състояния, възходящи състояния) (Siapas и Wilson, 1998; Maigret et al., 2016; Latchoumaneet al. ., 2017). При хората хипокампалните вълни също са свързани с вълни на съня (Staresina et al., 2015; Latchoumane et al., 2017; Jiang et al., 2019a, b), а кортикалните вълни на съня също са свързани с консолидация (Niknazar et al., 2015 г.). По този начин, нашето наблюдение, че човешките кортикални вълни по време на NREM са силно свързани с горни състояния и по-малко силно с низходящи състояния и вретена, е в съответствие с ролята на човешките кортикални вълни в консолидацията. Това е подкрепено от скорошно проучване, показващо, че кортикалните вълни по време на NREM отбелязват повторението на научени двигателни модели от предишно събуждане (Rubin et al., 2022).

Консолидацията изисква пластичност, за да увеличи силата на връзките, въплъщаващи паметта, което може да възникне, когато пресинаптичните и постсинаптичните клетки се активират в непосредствена времева близост, наречено STDP (Feldman, 2012). Ние показваме тук, че локалните неврони са много по-склонни да се задействат при закъснения, оптимални за STDP по време на вълни, отколкото през контролни периоди, и че съвместното запалване е организирано отвъд това, което би се очаквало от общото увеличение на запалването на неврони. Подобно увеличение се наблюдава и по време на сънни вретена и възходящи състояния при хора (Dickey et al., 2021). Тъй като също така показваме, че NREM кортикалните вълни са временно координирани със сънните вретена и горните състояния, това подкрепя синергичното улесняване на пластичността. По този начин множеството характеристики на кортикалните вълни са в съответствие с това, че те играят роля в консолидацията, но директното потвърждение на тази роля ще изисква интервенции, които не са извършени в настоящото проучване.

Наскоро беше показано, че вълните на човешката кора в будно състояние маркират пространствено-времеви модели на задействане по време на припомняне на елементи, които възпроизвеждат тези, предизвикани преди това от същите елементи по време на първоначалното им представяне (Jiang et al., 2017). Това предполага възможността вълните, при хора и гризачи, NREM и събуждането, хипокампуса и кората, да споделят обща роля в приноса към реконструкцията на възникнали преди това модели на изстрелване. Сходните характеристики на човешките вълни, в NREM и събуждането, хипокампуса и кората , са в съответствие с тази спекулация.

Предишни доклади при гризачи (Khodagholy et al., 2017) и хора (Vaz et al., 2019), че кортикалните вълни са ограничени до асоциативна кора, също се тълкуват като съответстващи на селективното взаимодействие на кортикалните вълни с хипокампуса. Въпреки това, в нашата по-обширна извадка на кортикалните сайтове, ние наблюдавахме по-ниска плътност на вълни в по-високия асоциативен кортекс. Освен това не открихме връзка между кортикалните парцели между тяхната степен на свързаност с хипокампалната формация (изведено от дифузионно изображение) (Rosen и Halgren, 2021) и плътността на кортикалните вълни или всяка друга характеристика на пулсации. Наистина, в друга работа ние показахме, че е по-вероятно кортикалните вълни да се появят едновременно и да се блокират с други кортикални места, отколкото с хипокампуса (Dickey et al., 2022). По този начин функционалната роля на кортикалните вълни може да не се ограничава до консолидиране на паметта и извикване.

В заключение, настоящото проучване предоставя първия доклад за кортикални вълни по време на сън при хора. Установено е, че кортикалните вълни по време на NREM имат основни характеристики (продължителност, честота на трептене и честота на възникване), които са много сходни с тези на кортикалните вълни по време на събуждане, както и на хипокампалните вълни. Честотите на трептенията на кортикалните пулсации бяха плътно фокусирани при 90 Hz. Това откритие, заедно с тяхната стереотипност и повсеместност в структурите и състоянията, предполага, че кортикалните вълни могат да представляват отделна и функционално важна неврофизиологична единица.

Задействането на единица по време на човешки кортикални NREM вълни поддържа механизма, предложен за хипокампални вълни на гризачи, въз основа на PY–IN обратна връзка. Кортикалните вълни по време на NREM характерно се появяват след низходящи състояния, по време на вретено и малко преди пика на горното състояние, връзка и време, които са важни за консолидирането на спомените по време на сън. Освен това, кортикалните вълни на NREM бяха свързани с повишено локално съжиране между единиците, като по този начин се изпълни фундаментално изискване за STDP. Въпреки това, кортикалните вълни са широко разпространени в кортикалните пакети, независимо от вероятната им връзка с хипокампуса. Като цяло, тези характеристики на кортикалните вълни по време на човешки NREM са в съответствие с роля, която включва, но може да не се ограничава до консолидиране на паметта, зависима от съня.

справка

1. Axmacher N, Elger CE, Fell J (2008) Вълничките в медиалния темпорален лоб са от значение за консолидирането на човешката памет. Мозък 131: 1806–1817.

2. Bartos M, Vida I, Frotscher M, Meyer A, Monyer H, Geiger JR, Jonas P (2002) Бързото синаптично инхибиране насърчава синхронизирани гама трептения в хипокампалните интерневронни мрежи. Proc Natl Acad Sci USA99:13222–13227.

3. Баженов М, Рулков НФ, Тимофеев И (2008) Ефект на синаптичната свързаност върху синхронизацията на дълги разстояния на бързи кортикални трептения. J Neurophysiol 100: 1562-1575.

4. Bechtold B (2016) Цигулкови сюжети за Matlab. Проект Github.

5. Behrens TE, Berg HJ, Jbabdi S, Rushworth MF, Woolrich MW (2007)Вероятностна дифузионна трактография с множество ориентации на влакна: какво можем да спечелим? Neuroimage 34: 144–155.

6. Benjamini Y, Hochberg Y (1995) Контролиране на степента на фалшиви открития: практичен и мощен подход за многократно тестване. JR Stat Soc B 57: 289–300.

7. Berens P (2009) CircStat: кутия с инструменти на MATLAB за кръгова статистика. J StatSoftw 31:1–21.

8. Bragin A, Engel J Jr, Wilson CL, Fried I, Buzsáki G (1999) Високочестотни трептения в човешкия мозък. Хипокампус 9: 137–142.

9. Buzsáki G (2015) Хипокампална остра вълна: когнитивен биомаркер за епизодична памет и планиране. Хипокампус 25: 1073–1188.

10.Buzsáki G, Wang XJ (2012) Механизми на гама трептения. Annu RevNeurosci 35:203–225.

For more information:1950477648nn@gmail.com